Ein Kraftwerk daheim

Schon vor mehr als vier Jahren hat sich Karl-Wilhelm Lang für ein BHKW entschieden. „Unser Stromverbrauch liegt im Jahr bei rund 13.000 Kilowattstunden“, rechnet der Kfz-Meister aus Korbach in Hessen vor. Seitdem summt in seinem Keller ein Gasmotor von Vaillant, der einen Generator treibt. Das kleine Kraftwerk der Marke Eco Power leistet 4,5 Kilowatt elektrisch und 12,5 Kilowatt thermisch. Auf dem Dach arbeiten zusätzlich Photovoltaikmodule mit rund 15 Kilowatt Leistung.

BHKW, Photovoltaik, Eigenverbrauch und Netzeinspeisung unter einen Hut zu bringen, ist nicht ganz einfach. Zunächst: Wer ein BHKW mit Photovoltaik kombinieren will, braucht ein AC-geführtes Speichersystem als Puffer für Stromerzeugung und Stromverbrauch.

Zündkerzen wechseln

Denn das BHKW bietet Wechselstrom an, die Photovoltaikanlage dagegen Gleichstrom. Deshalb wird der Strom über die Steuergeräte des Blei-Flüssig-Speichers in Wechselstrom umgewandelt. Zudem wurden die Batterien im Haus der Familie Lang nachträglich installiert.

Das Geheimnis hoher Effizienz liegt in der Steuerung. Während der Heizperiode läuft das BHKW am Morgen und am Nachmittag jeweils ein bis zwei Stunden. Die Betriebszeiten sind eingestellt, das ist bei der Steuerung von Vaillant kein Problem. Diese Spanne reicht aus, um den thermischen Pufferspeicher und die Batterien aufzuladen. Den Rest erledigt die Photovoltaikanlage. „Das hat mehrere Vorteile“, erzählt Lang. „Weil das BHKW nur stundenweise läuft, komme ich mit einer Wartung im Jahr aus.“

Alle 4.000 Betriebsstunden muss ein Monteur kommen, um das Öl und die Zündkerzen im BHKW zu wechseln und die Schleifkontakte am Generator durchzusehen. Im Sommer erhöht sich der Anteil der Photovoltaik, die Betriebszeiten des BHKW verringern sich. Bauherr Karl-Wilhelm Lang ist zufrieden. „Sogar an einem schlechten Tag wie heute schaffen wir 76 Prozent aus Photovoltaik und BHKW.“

Fast durchgängig bereit

Künftig muss jedoch auch bei effizient arbeitenden BHKW mehr Kohlendioxid gespart werden. Und da kommen neuerdings Brennstoffzellen ins Spiel: Als das Forschungsprojekt Callux im September 2008 startete, hieß der Bundesverkehrsminister noch Wolfgang Tiefensee (SPD). Insgesamt 474 BHKW mit Brennstoffzellen liefen über sieben Jahre hinweg.

Die beteiligten Hersteller Baxi Innotech, Hexis und Vaillant und die Energieversorger EnBW, Eon, EWE, MVV Energie und Verbundnetz Gas schauten beim Betrieb genau hin. „Die Anlagen zeigten eine Verfügbarkeit von 96 Prozent“, berichtet Callux-Sprecher Alexander Dauensteiner, der hauptberuflich Systemprodukte beim Hersteller Vaillant betreut.

Die Zusammensetzung des Konsortiums zeigt die Bandbreite des Projekts. Brennstoffzellen kehren dabei den Prozess der Elektrolyse um. Aus Wasserstoff mit Sauerstoffzufuhr wird Strom und Wärme. Die Technik wird im Detail ab Seite 20 erläutert.

In den insgesamt mehr als fünf Millionen Betriebsstunden, umgerechnet rund 570 Jahren, liefen die Stacks der Anlagen mehr als 20.000 Stunden, sagt Dauensteiner. Die Ergebnisse interpretieren die Beteiligten einhellig: Die Geräte seien nun technisch reif für den Markt. Der Preis liegt allerdings noch über dem Preis für herkömmliche BHKW, die mit Erdgas betrieben werden.

Callux-Box als Schnittstelle

Dennoch seien die Kosten für die Geräte über drei Anlagengenerationen um 60 Prozent gesunken, sagt Dauensteiner, ergänzt aber zugleich: „Die derzeitigen Preise müssen allerdings noch halbiert werden.“

Einen harten und belastbaren Preis in Euro für die Produkte will er im Kreis seiner Konkurrenten bei der Anschlussveranstaltung im Bundesverkehrministerium Ende November 2015 aber nicht verraten.

Um das Monitoring und die Fernsteuerung durchzuführen sowie Anlagen künftig als virtuelles Kraftwerk zu betreiben, wurde erstmals eine standardisierte Schnittstelle für Heizgeräte mit Brennstoffzelle entwickelt, die sogenannte Callux-Box.

Mit mehr als 32 Millionen gefördert

Der Projektname verbindet dabei Calor für Wärme und Lux für Licht, da Licht meist mit Strom erzeugt wird. Eine Infrastruktur für eine intelligente Energieversorgung steht somit bereit. Aber im Rahmen von Callux wurde nicht nur die technische Verlässlichkeit geprüft, sondern auch Geschäftsmodelle für Energiedienstleistungen rund um Brennstoffzellengeräte erprobt.

Bisher ist der Markt eher übersichtlich: Elcore, Solid Power und die Viessmann-Tochter Hexis sowie das Kombiprodukt von Viessmann und Panasonic sind zurzeit erhältlich. Vaillant, Buderus und Junkers sowie Senertec planen, dieses Jahr oder 2017 Geräte anzubieten (siehe die Marktübersicht ab Seite 32).

Eine Umfrage des Marktforschungsinstituts GfK unter 3.600 Beteiligten zeigte: Die Akzeptanz der Anlagen bei den Handwerkern ist da. „Fast die Hälfte der Befragten zieht die Anschaffung eines Brennstoffzellengeräts in Erwägung“, sagt Michael Plock, der die GfK-Forschung verantwortete. Demnach räumt jeder zweite Handwerker der neuen Technologie gute Marktchancen ein.

Das ZSW koordinierte das Projekt

Dazu beigetragen hat auch das Engagement von Callux in der Ausbildung. Die Förderung des Projekts wurde im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) möglich, das die Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) koordinierte. Die Ordination des Callux-Projekts hatte das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) inne.

Das Projekt kostete insgesamt 75 Millionen Euro, jeweils zur Hälfte flossen die Mittel von der Industrie und aus dem NIP.

Zwei Milliarden aus dem Staatssäckel

Was nun fehlt, ist ein Markteinführungsprogramm für die neuen Geräte, damit die ersten Pionierkäufer den noch sehr hohen Preis nicht komplett allein tragen müssen. Das Verkehrsministerium hat im Haushalt für die nächsten drei Jahre 161 Millionen Euro eingeplant. Mittel, die im Rahmen eines fortgeführten NIP bereitstehen.

Die Industrie hat dagegen den finanziellen Bedarf aus der Staatskasse für die Markteinführung auf der Hannover Messe 2015 taxiert: zwei Milliarden Euro. Ein Betrag in ähnlicher Größenordnung soll dann von der privaten Industrie hinzukommen.

Laut der Initiative Bennstoffzelle werden ab dem Jahr 2021 immerhin 30.000 Brennstoffzellengeräte pro Jahr verkauft. Das bedeutet, dass im Jahr 2030 bereits mehr als 300.000 dieser Geräte installiert sind.

1,2 Tonnen Emissionen weniger

Das Bundeswirtschaftsministerium hat wohl ein solches Programm angekündigt, aber offiziell ist das noch nicht. Sehr wahrscheinlich erscheint aber eine Förderung über die KfW-Staatsbank wie beim Förderprogramm für Batteriespeicher. Denn im Heizkeller kommt die Energiewende derzeit kaum voran.

Die Brennstoffzellen im Test sparten im Schnitt jährlich rund 1,2 Tonnen Kohlendioxidemissionen gegenüber Brennwerttechnik und Strombezug aus dem Netz. Das entspricht einer Reduzierung von etwa einem Drittel.

Mit dem bislang umfangreichsten Online-Informationsprogramm zu BHKW mit Brennstoffzellen sowie Vortragsangeboten hat Callux das Handwerk früh auf die Markteinführung vorbereitet. Fachanwender und interessierte Unternehmen wurden rechtzeitig an die neue Technik herangeführt.

Transparente Kommunikation

Hierzu trug auch die klare Kommunikation des siebenjährigen Projekts Callux bei. Jedes einzelne Projekt wurde im Internet auf einer Karte veröffentlicht, und der Praxistest informierte über die Fortschritte der Technologie bis zur nun anstehenden Markteinführung. Möglicherweise überzeugte gerade das jeden zweiten Handwerker von der Technologie. Denn BHKW- und Solaranlage sind ein gutes Duo und ergänzen sich bei der Stromerzeugung. Das zeigt auch das seit Dezember 2014 laufende Pilotprojekt Strombank des Versorgers MVV Energie in Mannheim. In einen Großspeicher speisen insgesamt 15 Photovoltaikanlagen und drei BHKW ein.

Stromnetze besser nutzen

„Mit der Strombank erproben wir die lokale Vernetzung von Erzeugung und Verbrauch“, erklärt Robert Thomann, Projektleiter Strombank bei MVV Energie. So können künftig mehr Ökostromanlagen in die Netze eingebunden werden. Bei der Analyse der Kontoinhaber wurde deutlich, dass die Betreiber von Photovoltaik und KWK-Anlagen gegenläufig zueinander die Strombank nutzen. Im Sommer produzieren die Photovoltaikanlagen hohe Überschüsse, während viele der KWK-Anlagen in den wärmeren Monaten stillstehen.

In den Wintermonaten ist die Situation hingegen genau andersrum: Die KWK-Anlagen liefern konstant Strom, während die Solarstromanlagen wenig einspeisen und auch weniger Strom gespeichert werden muss. Besitzen alle Teilnehmer stets ein gleich großes Konto, das sie mit ihren Überschüssen beladen, liegen Kapazitäten der Akkus brach. Aus diesem Grund erweist sich eine saisonale und individuelle Anpassung der Kontogröße als sinnvoll, resümiert der Energieversorger MVV.

Auf dem Konto Strom sparen

Die gesamte Kapazität von 50 Kilowattstunden werde zu Beginn von Sommer, Winter und den beiden Übergangszeiten neu auf die 18 Kontobesitzer verteilt. Die Optimierung basiert auf einer nachträglichen Bestimmung der zyklisierten Energiemenge, die durch das Strombankkonto fließt. Diese wird auf der Grundlage der Last- und Erzeugungszeitreihen der jeweiligen saisonalen Perioden berechnet.

Das Konto der Teilnehmer wird so gewählt, dass die zyklisierte Energiemenge möglichst groß wird. „Im Laufe des Jahres können die Teilnehmer somit drei verschiedene Speichergrößen nutzen, die im Gegensatz zu einer festen Kontogröße optimal an ihren saisonalen Bedarf angepasst sind“, erklärt Thomann.

Im Sommer ergibt sich für die Haushalte mit einer Solaranlage, die über 2,5 bis fünf Kilowatt Leistung besitzt, eine Kontogröße von zwei bis sechs Kilowattstunden. In der Übergangszeit ist der Speicherbedarf in der Regel etwas geringer, zwischen einer und vier Kilowattstunden.

Im Winter nutzen die Solaranlagenbesitzer ihren Speicher kaum. Deshalb wurde eine Grenze von einer Kilowattstunde eingeführt und die restliche Speicherkapazität durch die KWK-Anlagen ausgelastet.

Anspruchsvolle Kopplung

„Die vorläufigen Ergebnisse des Praxistests bestätigen unsere Vermutung, dass Photovoltaik und effiziente Mikro-KWK, die an einen gemeinsamen Speicher angeschlossen sind, dessen Kapazität optimal ausnutzen“, sagt Thomann. Bei der Strombank würden dazu die Speichergrößen, die den einzelnen Teilnehmern zugeordnet sind, den Jahreszeiten angepasst.

Parallel forschen auch andere Firmen daran, wie Photovoltaikanlagen und BHKW sich ergänzen. Aber die Herausforderungen liegen oft in den technischen Details. Immer mehr Wohnhäuser, öffentliche Gebäude und Gewerbebetriebe werden mit kleinen, dezentralen BHKW geheizt. Die intelligente Kopplung von Photovoltaikanlagen beispielsweise mit anderen Generatoren ist systemtechnisch anspruchsvoll, bietet aber interessante Möglichkeiten.

Startklar fürs intelligente Netz

Der Forschungsverbund PV-KWK arbeitet seit mehr als einem Jahr an einem Baukastensystem, das über standardisierte Schnittstellen verfügt. Beteiligt sind der Wechselrichterhersteller SMA Solar und der Heiz- und Klimatechnikhersteller Vaillant. Die wissenschaftliche Unterstützung liefert die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen. Das Budget des Projekts beträgt 5,5 Millionen Euro, die Förderquote liegt bei rund 53 Prozent. Ende September 2017 sollen Ergebnisse vorliegen.

So können BHKW zusätzliche Aufgaben übernehmen und das fluktuierende Leistungsangebot der Photovoltaik ausgleichen. Umgekehrt kann das Lastmanagement oder der Speicher des Photovoltaiksystems den Betrieb des BHKW und das Aggregat entlasten. Die Kopplung der Photovoltaikanlage mit einer Wärmepumpe wirkt als schaltbare Last den Schwankungen der Solarenergie entgegen. Zudem wird der Eigenverbrauch erhöht und das Stromnetz entlastet.

Ein intelligenter Manager

Um Photovoltaikanlagen und Heizungssysteme mit BHKW oder Wärmepumpe zu kombinieren, ist ein Baukastensystem aufeinander abgestimmter und flexibel kombinierbarer Steuerungen nötig. Solche Kombisysteme können entweder den individuellen Eigenverbrauch optimieren, werden auf eine Entlastung des Netzes ausgelegt oder bilden als Verbund ein virtuelles Kraftwerk.

Ein weiteres Projekt heißt Intelligentes Heim-Energie-Management, kurz IHEM. Wissenschaftler wollen das individuelle Verbrauchsverhalten und die dezentrale Bereitstellung und Speicherung von erneuerbaren Energien besser in Einklang bringen.

Die Projektpartner aus Forschung und Industrie entwickeln dazu Konzepte für eine Hausenergieversorgung, die mit einem übergeordneten intelligenten Managementsystem arbeitet. Eine der Hauptursachen für ineffizient arbeitende Systeme ist dabei eine nicht harmonisierte Betriebsführung einzelner Geräte. „Zwar werden für die Energieversorgung in Wohngebäuden zahlreiche energieeffiziente Einzel- oder Komplettsysteme angeboten“, erklärt Marco Zobel vom EWE-Forschungszentrum Next Energy in Oldenburg, das am IHEM-Projekt beteiligt ist. Er erklärt weiter: „Allerdings zeigt die Praxis, dass aus der Kombination unterschiedlicher Erzeugersysteme nicht die effizienten Kennzahlen hinten rauskommen, die optimierte Einzelsysteme erwarten ließen.“

Tests im Zeitraffer

Das Team um Zobel wird mithilfe von Testplattformen sowohl die Erzeuger- als auch die Lastenseite realitätsnah abbilden. Die installierten Systeme werden dabei real betrieben. Next Energy hat einen Zeitraffertest entwickelt, der dabei zum Einsatz kommt. Diese Tests ermöglichen die Bestimmung der Nutzungsgrade und des Anlagenverhaltens. Die Ergebnisse sind auf den Alltagseinsatz übertragbar. Dies wird durch die Projektbeteiligung von Firmen und Produktentwicklern sichergestellt. Dazu gehören der Hersteller von BHKW mit Brennstoffzellen Solid Power aus Heinsberg, der Leistungselektronikproduzent Steca Elektronik aus Memmingen und Sailer, ein Hersteller von Warmwassersystemen aus Ehingen.

Bis zu 90 Prozent unabhängig

Das Projekt verfolgt dabei einen modularen Ansatz. Damit soll es grundsätzlich möglich werden, Einzelsysteme wie Photovoltaik-, Solarthermie- und KWK-Anlagen sowie Heizgeräte und thermische oder elektrische Speicher für die genauen Anforderungen des Objekts und des Kunden auszuwählen.

So wie es beim KfZ-Meister Karl-Wilhelm Lang in Korbach bereits umgesetzt wurde. Das System mit Photovoltaikanlagen, Speicher und BHKW erreicht immerhin bis zu 90 Prozent Autarkie – und das senkt die Energiekosten erheblich.

Allendorfer setzen auf Brennstoffzellenheizung

Nachdem Hersteller Viessmann im Jahr 2012 bereits 50 Prozent der Hexis AG von der Stiftung für Kunst, Kultur und Geschichte erworben hatte, wurde das Schweizer Unternehmen im Sommer 2015 komplett übernommen. Die Allendorfer setzen damit verstärkt auf die kohlendioxidarme Technologie mit Brennstoffzellen. Hexis gilt als Spezialist für Mikro-KWK-Systeme mit sogenannten Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC). Die SOFC und das dazugehörige System haben eine vergleichsweise geringe Komplexität und damit das Potenzial, hohe elektrische Wirkungsgrade und langfristig niedrige Herstellkosten zu erreichen.

Viessmann selbst ist auch auf dem Gebiet der PEM-Brennstoffzelle (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle) aktiv. Vor rund dreieinhalb Jahren wurde dafür eine Kooperation mit dem japanischen Konzern Panasonic vereinbart. Das Ergebnis ist ein serienmäßig hergestelltes Brennstoffzellenheizgerät.

www.viessmann.de

Italienischer Hersteller übernimmt Ceramic Fuel Cells

Das Unternehmen Solid Power mit Hauptsitz in Mezzolombardo hat zum 1. Juli 2015 das Geschäft von Ceramic Fuel Cells (CFC) in Heinsberg übernommen. CFC ist der Entwickler und Hersteller des Mikrokraftwerks Bluegen auf Basis einer Brennstoffzellen-Technologie und musste im März 2015 Insolvenz anmelden. „Der Standort ist gesichert“, bestätigt Solid Power.

Das gut ausgebaute Netzwerk an Vertriebs- und Servicepartnern der CFC in Heinsberg war sicherlich ein Grund für den italienischen Hersteller, bei CFC einzusteigen. „Mit Solid Power werden wir den Service für alle Bluegen-Besitzer aufrechterhalten und mit den bisherigen Partnern aus Handwerk und Energieversorgung den Vertrieb ausbauen“, verspricht Andreas Ballhausen, verantwortlich für Vertrieb und Service.

www.solidpower.com